Поскольку возраст стволовых клеток крови, изменения в эпигеноме – система, которая регулирует, какие гены включены и которые отключены по всему телу, – изменяют эти клетки способами, которые приводят к уменьшению иммунного ответа, увеличению анемии и повышению риска определенных лейкозов, исследователи обнаружили. Результаты были опубликованы онлайн в Cell Stem Cell 14 февраля.
Гематопоэтические стволовые клетки или HSCs содержат основной план для всех клеток крови, и поэтому могут создавать и обновлять запас тела красных кровяных клеток, иммунных клеток и всех других разнообразных типов клеток в системе крови. У пожилых людей – двухлетней мыши или 80-летнего человека – система кроветворения начинает дрожать: меньшее количество клеток Т и В приводит к снижению иммунного ответа, а меньшее количество красных кровяных телец приводит к анемии. Более того, риск развития рака крови повышается.
Поскольку эти изменения все происходят из системы, которая создает новые клетки крови, исследователи из Гарвардской медицинской школы и Гарвардского университета хотели увидеть, было ли общее провалы в эпигломе HSCs, которые каскадировали иерархию клеток-предшественников, вызывая различные недостатки разнообразные клетки крови.
Выключатели для генов
Эпигенома – это своего рода система управления геномом, система молекул, которые присоединяются к ДНК ДНК и окружают ее. Благодаря их физическому и химическому взаимодействию с геномом эти молекулы помогают определять, какие гены включаются и выключаются на разных этапах жизни и в разных клетках. Они помогают определить разницу между развитием плода и половой зрелостью, или между эритроцитом и тромбоцитом. Если геном представляет собой схему, эпигенность содержит переключатели, циферблаты и резисторы, которые могут модулировать поток тока.
«То, что мы обнаружили, заключается в том, что эпигенем в индивидуальном возрасте модулируется в стволовых клетках очень специфическим образом, что явно влияет на функцию этих клеток, изменяя их способность производить определенные типы клеток крови», – сказал Деррик Росси, доцент стволовых клеток и регенеративной биологии в Гарвардском университете, доцент кафедры патологии и исследователя HMS в Программе по клеточной и молекулярной медицине в Бостонской детской больнице, а также старший автор исследования.
Хотя исследователи обнаружили, что эпигеном HSCs очень стабилен в целом, они отметили специфические изменения в сайтах, которые явно влияют на способность стволовых клеток формировать определенные типы клеток крови. Эта потеря производительности клеток коррелирует со специфическими способами, которые система крови снижается при старении.
Эпигенетические изменения, наблюдаемые в исследовании, в основном нацелены на гены, которые имеют решающее значение для развития нижестоящих клеток крови, но не выражены самими HSC. Данные также предполагают, что эти эпигемные изменения проявляют свое влияние на продукцию клеток крови, уменьшая способность стволовых клеток вырабатывать иммунные клетки, а также увеличивая производство типов клеток, обычно участвующих в миелоидных заболеваниях, связанных со старением.
«Эти данные подчеркивают дополнительную силу, полученную с помощью эпигемного анализа, и укрепляют наше механистическое понимание процесса старения», – сказал Алекс Мейсснер, адъюнкт-профессор стволовых клеток и регенеративной биологии в Гарвардском университете, старший автор исследования.
Отслеживание редких клеток
Для изучения эпигенетических изменений стареющих HSC исследователи проанализировали образцы этих клеток у молодых и старых мышей с использованием высокопроизводительной, глубокой методики секвенирования эпигеномов, разработанной в лаборатории Мейснера. Они также измеряли функциональные возможности различных образцов клеток, пересаживая их на облученных мышей, лишенных всех клеток крови, чтобы увидеть, насколько хорошо они могут заменить запас клеток животного. Некоторые образцы клеток подвергались дополнительному стрессу, будучи вынуждены умножаться на низкие уровни трансплантата и другие проблемы.
Когда исследователи идентифицировали изменения в эпигеном, они определяли посредством генетического анализа, на которые влияли гены.
Конкретный эпигенетический маркер, который исследователи изучали, называется метилированием ДНК, в котором метильная группа добавляется к одному из нуклеотидных строительных блоков ДНК. Такие модификации могут приводить к изменениям в экспрессии генов и продуцировании белка. Эта ДНК-маркировка обычно является постоянной меткой, сродни скручиванию пары проводов и укупорке ее в цепи. Это долговечное, наследуемое изменение, которое можно передать из клетки во все дочерние клетки.
Другой компонент эпигенома, гистонов, участвует в упаковке ДНК и при модификации делает определенные гены более или менее доступными для экспрессии. Как правило, модификации гистонов более динамичны, чем метилирование ДНК, а также могут быть использованы для модуляции генов. Гистоны могут скручиваться плотно или свободно вокруг генов, поворачивая их выражение вниз или вверх, как регулятор громкости, контролирует уровень звука на стерео.
Гистонные модификации почти невозможно исследовать непосредственно в редких типах клеток, таких как HSC. HSC составляют только около 1 из 20 000 клеток в костном мозге, что означает, что у каждой мыши только около 2000 из этих клеток. Чтобы проанализировать профиль гистона, нужны миллионы клеток. Однако, с метилированием ДНК, высокопроизводительная платформа Мейснера позволила исследователям амплифицировать образцы таким образом, чтобы сохранить метки метилирования ДНК, так что несколько сотен клеток могут продуцировать достаточное количество материала для анализа в глобальном масштабе.
Замыкание цепи
Поразительно, что анализ исследователей показал, что гены, нацеленные на метилирование ДНК во время старения HSC, были связаны с другим типом эпигенетического регулятора, называемого рекомпрессионным комплексом 2 (PRC2), который действует путем модификации гистонов с образованием своего рода переключателя, который выключен в HSC, но могут быть перевернуты в промежуточных клетках, которые образуют определенные клетки крови.
Более постоянные метиленовые метки ДНК, по-видимому, заменяют регулируемые гистоны PRC2, превращая переключатель быстрого щелчка в мертвую цепь. Авторы также показывают, что основные компоненты PRC2 снижаются в HSC с возрастом. Тот факт, что потеря PRC2 связана с широким спектром связанных с старением изменений и заболеваний в системе крови, свидетельствует о том, что PRC2 является важным элементом в процессе старения в крови.
Но в отличие от генетических изменений, даже эти более прочные эпигенетические изменения остаются адаптируемыми. «В отличие от генетического повреждения, такого как ДНК-мутации, который является постоянным, эпигенома гораздо более податлива», – сказал Росси, отметив, что при миелодиспластическом синдроме, одном из канонических заболеваний старения в системе крови, многие случаи, как известно, являются отзывчивыми к гипометилирующим агентам, которые удаляют метиловые метки ДНК, выводящие выключенные гены обратно в режиме онлайн и позволяя поврежденным клеткам заживать и обновляться должным образом.
«Понимание основополагающей биологии в стволовых клетках крови во время старения будет иметь решающее значение не только для углубления нашего фундаментального понимания науки о старении, но также для понимания эволюции болезни и предоставления информации, которая может быть использована терапевтически», – сказал Росси.